廣西糖料蔗寒凍害風險評估與風險區(qū)劃研究

譚宗琨，劉世業(yè)，歐釗榮

（1.國家氣象衛(wèi)星中心遙感應(yīng)用試驗基地，南寧，530022；2.廣西浦北縣氣象局，浦北，30003；，3.廣西氣象減災(zāi)研究所，南寧，5300022）

0 引言

寒凍害是廣西糖料蔗主產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害之一。榨季寒凍害的發(fā)生，尤其是大范圍、嚴重寒凍害的發(fā)生，不僅造成本榨季大面積糖料蔗受害，糖料蔗產(chǎn)量和蔗糖分含量不同程度下降，導(dǎo)致制糖企業(yè)進廠原料嚴重不足及增加蔗糖回收成本，而且還直接影響到糖料蔗留種及宿根糖料蔗的正常發(fā)蔸，最終波及下一榨季糖料蔗產(chǎn)量的構(gòu)成，給廣大蔗農(nóng)及企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失［1-6］。進入二十一世紀以來隨著桂東南和沿海地區(qū)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以及在全球氣候變暖背景下，廣西糖料蔗一直呈現(xiàn)向西、向北拓展態(tài)勢，這對加快廣西西部、北部山區(qū)“三農(nóng)”經(jīng)濟發(fā)展起了積極作用，但糖料蔗生產(chǎn)遭遇寒凍害高風險已成為糖業(yè)發(fā)展面臨的焦點問題。對此，前人對寒凍害給糖料蔗生產(chǎn)帶來危害等問題已做了大量調(diào)查和分析研究［6-11］，并取得一系列研究成果，但涉及糖料蔗種植的風險等問題研究尚未看到相關(guān)報道。鑒于氣溫是反映近地層系統(tǒng)熱量狀態(tài)的綜合指標，同時也是評估農(nóng)作物遭受寒凍害程度、災(zāi)害損失及種植風險程度的關(guān)鍵指標之一，擬通過構(gòu)建區(qū)域歷年冬季寒凍害過程逐日最低氣溫降尺度模型，建立任意網(wǎng)格點逐年寒凍害過程低溫數(shù)據(jù)庫，結(jié)合糖料蔗寒凍害等級指標和相應(yīng)災(zāi)損指標，開展區(qū)域糖料蔗寒凍害風險分析與區(qū)劃研究，以便為廣西區(qū)域進一步優(yōu)化蔗糖產(chǎn)業(yè)的布局，提高風險決策管理水平及實施政策性糖料蔗種植保險等提供依據(jù)。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

廣西區(qū)域各縣、市氣象臺站1961-2013年冬季（12-2月）逐日最低氣溫資料來源于廣西壯族自治區(qū)氣候檔案館；區(qū)域250m×250m網(wǎng)格點經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向及地表發(fā)射率等來源于1：25萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及廣西區(qū)域冬季晴空EOS／MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 寒凍害過程篩選

根據(jù)譚宗琨［12］等研究確定的糖料蔗不同寒凍害類型的致災(zāi)等級標準（表1、表2），首先是篩選確定逐年冬季糖料蔗寒凍害過程。其中糖料蔗輻射型寒凍害過程標準為：廣西區(qū)域1/3以上氣象臺站出現(xiàn)Tmin≤1.0℃，則Tmin≤1.0℃的第一天作為輻射型寒凍害過程的開始日期，連續(xù)3d以上，Tmin≥1.1℃則Tmin≥1.1℃的第一天輻射型寒凍害過程的結(jié)束日期。糖料蔗平流型寒凍害過程標準為：持續(xù)5天Tmin≤3.9℃，則Tmin≤3.9℃的第一天作為平流型寒凍害過程的開始日期，連續(xù)5天Tmin≥4.0℃，則Tmin≥4.0℃的第一天輻射型寒凍害過程的結(jié)束日期。

表1 甘蔗輻射型寒凍害等級指標及災(zāi)損指標

表2 甘蔗平流型寒凍害等級指標及災(zāi)損指標

1.2.2 數(shù)據(jù)的提取

運用ARCGIS軟件，構(gòu)建廣西區(qū)域250×250m網(wǎng)格點，并根據(jù)格點的地理坐標信息，從數(shù)字高程數(shù)據(jù)中提取對應(yīng)格點的經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向等信息，應(yīng)用ENVI軟件，從EOS／MODIS數(shù)據(jù)中提取對應(yīng)格點的地表反射率值。

1.2.3 區(qū)域寒凍害過程氣溫降尺度模型及數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

為了客觀地描述廣西區(qū)域寒凍害過程最低氣溫的空間變化，根據(jù)廣西各地氣候差異特點，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中的多元線性回歸分析方法，按行政分區(qū)，在全區(qū)91個縣、市氣象臺站中隨機抽取1／3～1／2縣、市氣象臺站冬季寒凍害過程逐日最低氣溫與氣象臺站對應(yīng)的經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向及地表反射率等數(shù)據(jù)構(gòu)造寒凍害過程逐日最低氣溫空間變化模型若干個，從中選取回代擬合效果較的模型作為該日最低氣溫降尺度模型，并以此推算任意格點的最低氣溫。關(guān)系模型為：

式中T為臺站氣溫實況值；φ，φ，?，α，β，κ分別代表緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡度、坡向和地表反射率；ξ為殘差項，稱為綜合地理殘差，可認為φ，φ，?，α，β，κ所擬合的氣候?qū)W方程的殘差部分，即

應(yīng)用上述模型，將廣西區(qū)域內(nèi)250m×250m網(wǎng)格點的經(jīng)度φ、緯度φ、海拔高度，?、坡度α、坡向β和地表反射率值κ等數(shù)據(jù)分別代入模型方程，推算寒凍害過程某日最低氣溫在250m×250m網(wǎng)格上的分布；再以91個氣象臺站的該日最低氣溫殘差值為樣本，運用反距離權(quán)重插值法，得到最低氣溫值250m×250m網(wǎng)格的殘差分布；將250m×250m網(wǎng)格的模型值與殘差值相加，得到該日250m×250m網(wǎng)格最低氣溫值。

同理，分別構(gòu)建寒凍害過程中逐日250m×250m網(wǎng)格最低氣溫值，并提取區(qū)域每個格點在寒凍害過程中逐日最低氣溫的最小值，在GIS中，將格點值轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，得到此次寒凍害過程廣西區(qū)域的空間分布圖。

運用以上方法，創(chuàng)建得到廣西1961年至2013年冬季寒凍害天氣過程逐日最低氣溫資料數(shù)據(jù)庫。

2 結(jié)果分析

2.1 廣西區(qū)域糖料蔗寒害凍害年代變化特征

基于建立的歷年冬季不同寒凍害類型過程格點逐日最低氣溫數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計分析不同寒凍害類型出現(xiàn)頻率及年代變化特征，結(jié)果表明：廣西冬季糖料蔗寒害凍害發(fā)生類型主要以輻射型寒害凍害為主。其中糖料蔗寒凍害發(fā)生范圍站全區(qū)縣市50%以上的輻射型寒凍害約占83%，平流型寒凍害約占17%。

在1961～2013年53個冬季中，50%以上縣市達到糖料蔗寒凍害標準的冬季有32個，約占總年數(shù)的60%；出現(xiàn)全區(qū)性霜凍日數(shù)有138d，平均每個冬季2.6d；若以發(fā)生全區(qū)性霜凍天氣的冬季來計算，則平均達4.2d。從發(fā)生全區(qū)性糖料蔗寒凍害的月份分布來看，最早出現(xiàn)在1983年11月29日，最遲為1986年3月3日。其中12月下旬到1月中旬為廣西全區(qū)性糖料蔗寒凍害天氣過程高發(fā)期，約占總數(shù)的72.3%。從年代變化看，廣西冬季糖料蔗寒凍害均有發(fā)生，僅是影響范圍及程度不同而已。其中上一世紀60年代初至70年代中期196O～1976年）為凍害頻發(fā)時段，平均每年出現(xiàn)凍害236站次；上一世紀7O年代后期至本世紀10年代初為寒凍害相對低值期，平均每年出現(xiàn)凍害96站次。僅1982／1983、1999／2000、2007／2008、2013／2014年冬季寒凍害站次在平均值以上，其余冬季的凍害站次均在多年平均值之下。

2.2 廣西區(qū)域糖料蔗寒害凍害空間分布特征

基于建立的歷年冬季寒凍害過程格點逐日最低氣溫數(shù)據(jù)庫，采用排序法，分別提取任意格點逐年冬季極端最低氣溫。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)糖料蔗輻射型、平流型寒凍害等級指標，分別統(tǒng)計任意格點糖料蔗無寒凍害和輕度寒凍害、中等程度寒凍害、重度寒凍害及嚴重寒凍害等級的頻率，即年極端最低氣溫≥4.0℃、2.0～3.9℃、1.1～1.9℃、0.0～1.0℃、-1.0～0.1℃、-2.0～-1.1℃和≤-2.0℃頻率，并形成如圖1、2、3（見彩頁）的區(qū)域糖料蔗不同寒凍害類型等級頻率分布圖。

縱觀圖1、2、3，不難發(fā)現(xiàn)：廣西區(qū)域糖料蔗輻射型寒凍害發(fā)生頻率呈緯向趨重的變化態(tài)勢，即桂南地區(qū)無論是輕度、中等程度，還是重度寒凍害，其出現(xiàn)頻率均為最低，其次是桂中地區(qū)，桂北地區(qū)出現(xiàn)頻率最高。而同一緯度，東部區(qū)域糖料蔗寒凍害出現(xiàn)頻率高于西部區(qū)域，這一地域分布規(guī)律可能是廣西西部地區(qū)地處云貴高原過度地帶，北方冷空氣南下時受云貴高原的阻擋，冷空氣路徑大多偏東所致。而廣西區(qū)域糖料蔗平流型寒凍害頻率的空間分布緯向特征則不如輻射型寒凍害明顯（圖略），這可能是廣西區(qū)域平流型寒凍害過程發(fā)生平率相對少，且多為北方弱冷空氣南下與西南暖濕氣流在華南上空交綏形成華南靜止鋒，氣溫南北差異較小所致。

2.3 區(qū)域糖料蔗寒害凍害致災(zāi)強度及災(zāi)損評估

分別統(tǒng)計任意格點年極端最低氣溫-10.0℃～10.0℃之間級差為1.0℃的頻率，經(jīng)檢驗：結(jié)果發(fā)現(xiàn)廣西區(qū)域任意格點極端最低氣溫頻率曲線大多呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢，僅是峰值對應(yīng)的溫度值不同而已。如地處糖料蔗大田生產(chǎn)北部的柳州市鹿寨縣、中部的南寧市橫縣和南部的北海市合浦縣年極端最低氣溫頻率大致呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢（詳見圖4、5、6）。

因此，各網(wǎng)格點以寒凍害過程極端最低氣溫致災(zāi)因子的糖料蔗寒害凍害風險概率密度可采用正態(tài)分布函數(shù)進行計算。

為了合理評估糖料蔗寒害、凍害致災(zāi)強度風險，以網(wǎng)格點歷年寒凍害過程極端最低氣溫序列和糖料蔗寒凍害等級指標來估算不同致災(zāi)強度等級下的風險概率。定義：不同致災(zāi)強度等級的累積風險為致災(zāi)強度風險指數(shù)。致災(zāi)強度風險指數(shù)（I）是致災(zāi)強度（G）的不同等級（i）及其相應(yīng)出現(xiàn)概率（P）的函數(shù)，如果將致災(zāi)強度等級進行足夠細分，則其模型可表達為：

圖4 廣西柳州市鹿寨縣年極端最低氣溫頻率分布曲線

圖5 廣西南寧市橫縣年極端最低氣溫頻率分布曲線

圖6 廣西北海市合浦縣年極端最低氣溫頻率分布曲線

根據(jù)（3）式，分別求算出廣西區(qū)域任意格點糖料蔗不同致災(zāi)強度等級下的風險概率。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同致災(zāi)等級下相應(yīng)的產(chǎn)量損失等級，即可求算出廣西區(qū)域任意格點寒凍害糖料蔗減產(chǎn)率，并得到廣西區(qū)域糖料蔗寒凍害減產(chǎn)率分布圖（圖7，見彩頁）。

從圖7廣西區(qū)域糖料蔗寒凍害減產(chǎn)率分布圖可以看出，廣西區(qū)域糖料蔗寒凍害減產(chǎn)率大致呈現(xiàn)緯向分布，即桂南蔗區(qū)糖料蔗寒凍害減產(chǎn)率較低，其次是桂中地區(qū)，桂北地區(qū)風險區(qū)糖料蔗寒凍害減產(chǎn)率最大。而同一緯度，東部區(qū)域糖料蔗寒凍害減產(chǎn)率高于西部區(qū)域，高海拔區(qū)域糖料蔗寒凍害減產(chǎn)率高于低海拔區(qū)域。

根據(jù)廣西區(qū)域糖料蔗寒凍害等級分布及減產(chǎn)率等級分布，將廣西區(qū)域糖料蔗種植寒凍害風險劃分為7大區(qū)域，即減產(chǎn)率＜2.0%的為無寒害凍害風險區(qū)、2.0～4.9%為低寒凍害風險區(qū)、5.0～9.9%為中等寒凍害風險區(qū)、10.0～14.9%為較高寒凍害風險區(qū)、15.0～19.9%為高寒凍害風險區(qū)、≥20.0%為不宜種植區(qū)。具體分區(qū)如下：

Ⅰ無寒凍害風險區(qū)：主要位北海市轄區(qū)、合浦縣、欽州市欽南區(qū)、防城港市港口區(qū)、東興市和博白縣南部等。該區(qū)域輕度糖料蔗寒凍害發(fā)生頻率小于5%，極少發(fā)生中等程度或以上寒凍害。此外，該區(qū)域熱量條件豐富，冬季氣溫大部時段適宜糖料蔗生長，是遲熟糖料蔗品種和良種繁殖最適宜區(qū)域。但值得指出的是，該區(qū)域為熱帶氣旋或臺風影響主要區(qū)域，大風和強降水極易造成糖料蔗倒伏、折斷，進而影響產(chǎn)量和糖分的提高。

Ⅱ低寒凍害風險區(qū)：主要包括南寧、玉林、崇左三市轄區(qū)、縣及欽州市欽北區(qū)、浦北縣、靈山縣，防城港市防城區(qū)、上思縣及百色市的右江河谷等地大部。該區(qū)域輕度糖料蔗寒凍害發(fā)生頻率小于10%，糖料蔗中等程度寒凍害發(fā)生頻率不足5%，熱量條件豐富，是廣西糖料蔗發(fā)展重點區(qū)域和最大生產(chǎn)區(qū)域。但該區(qū)域春旱發(fā)生頻率較高，因此，選育選種耐寒抗旱，以及抗旱保苗是該區(qū)域發(fā)展糖料蔗優(yōu)先考慮的主要問題之一。

Ⅲ中等寒凍害風險區(qū)：包括來賓市興賓區(qū)、武宣縣、象州縣、忻城縣和柳州市轄區(qū)、柳江縣、柳城縣、鹿寨縣及河池市金城江區(qū)、都安、大化、巴馬、宜州市等地大部，環(huán)江、羅成兩縣南部，梧州市轄區(qū)、蒼梧、藤縣、岑溪、平南、德保、靖西等地局部。該區(qū)域中等程度糖料蔗寒凍害發(fā)生頻率10～20%，糖料蔗重度寒凍害發(fā)生頻率不足5%，熱量條件較豐富，是廣西當前糖料蔗第二大區(qū)域，也是今后糖料蔗拓展主要區(qū)域。由于該區(qū)域發(fā)生輕度和中等程度寒凍害頻率較高，同時也是秋旱影響較重區(qū)域，因此，該區(qū)域拓展糖料蔗生產(chǎn)基地時，在注意做好糖料蔗品種屬性搭配的同時，積極采取有效措施減少秋旱的影響。

Ⅳ較高寒凍害風險區(qū)：中等寒凍害風險區(qū)以北、高寒凍害風險區(qū)以南區(qū)域。主要包括永福、荔浦、蒙山三縣南部，平樂縣局部、百色市德保、靖西、那坡、田林、西林、隆林等縣局部。該區(qū)域中等程度糖料蔗寒凍害發(fā)生頻率20～40%，糖料蔗重度寒凍害發(fā)生頻率10～15%。該區(qū)域雖為糖料蔗基地拓展?jié)撛趨^(qū)域，但因中等程度和重度寒凍害發(fā)生頻率較高，熱量條件相對不足，因此，該區(qū)域發(fā)展糖料生產(chǎn)應(yīng)以耐寒、早熟品種為主，并注意選擇常年寒凍害較輕地塊作為留種用地，砍收后及時用蔗葉覆蓋蔗地，以減少寒凍害發(fā)生對宿根的影響。

Ⅴ高寒凍害風險區(qū)：包括西林、田林、隆林、凌云、樂業(yè)、天峨、鳳山、東蘭、南丹、桂林市轄區(qū)、臨桂、靈川、陽朔、鐘山、昭平、蒙山等地大部，永福、荔浦、環(huán)江等3縣中部以北，融水、融安、恭城3縣中部及富川、賀州市八步區(qū)局部、大明上海拔1000米以上山地。該區(qū)域糖料蔗中等程度以上寒凍害發(fā)生頻率為65%以上，其中重度以上寒凍害發(fā)生頻率為40～50%之間，糖料蔗宿根大多年份無法安全越冬，因此，該區(qū)域不宜大面積發(fā)展糖料蔗，局部地區(qū)種植應(yīng)選擇早熟、耐寒糖料蔗品種，砍收后及時用蔗葉覆蓋蔗地，以減少寒凍害發(fā)生對宿根的影響。

Ⅵ不宜種植區(qū)：資源、龍勝、三江、灌陽四縣大部，融安、融安、恭城、興安、富川、賀州市八步區(qū)6縣區(qū)、北部及大瑤山等地。該區(qū)域糖料蔗重度以上寒凍害發(fā)生頻率大于60%，且寒凍害發(fā)生時間為廣西區(qū)域最早、結(jié)束時間最晚，寒凍害日期最短，熱量條件無法滿足糖料蔗正常生長。此外，重度以上寒凍害的高發(fā)不僅造成當年糖料蔗產(chǎn)量及糖分含量不同程度下降，而且糖料蔗宿根也無法安全越冬，因此，該區(qū)域不宜種植糖料蔗。

3 結(jié)論與討論

（1）廣西區(qū)域糖料蔗寒凍害風險分析與評估，是基于對歷年冬季寒凍害過程極端最低氣溫和糖料蔗寒凍害等級和災(zāi)損等級指標進行的。但由于各地種植水平、種植品種及制糖企業(yè)壓榨期間的調(diào)度管理水平等差異，糖料蔗遭受寒凍害后，損失也不盡相同。因而，風險度也不盡相同。

（2）不同等級寒凍害的發(fā)生概率是評價一個區(qū)域寒凍害對糖料蔗影響的主要依據(jù)之一。概率較之頻率更穩(wěn)定，也更具有理論意義。通過構(gòu)建歷年冬季寒凍害過程逐日最低氣溫模型推算格點逐日最低溫度，在此基礎(chǔ)上，采用排序法提取任意格點逐年極端最低氣溫，并以此確定各網(wǎng)格點最優(yōu)的概率分布函數(shù)，更接近實況。

（3）廣西地形地貌復(fù)雜，桂西南、桂西北、桂中、桂東北等地以連片喀斯特巖溶地貌為主，而桂東、桂南則山地、丘陵、谷底、平地等并存。海拔800米以上的中山和桂西南、桂西北、桂東北等地喀斯特巖溶地貌區(qū)極少或無法種植糖料蔗，而桂東、桂東南在二十世紀已退出糖料蔗種植。因此，廣西區(qū)域糖料蔗寒凍害風險分析是基于廣西行政區(qū)域進行的，與當前糖料蔗實際種植分布存在一定的出入，有待進一步研究。

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